SWAT模型与水资源配置模型的耦合研究
2010年2月灌溉排水学报
第29卷第1期
Journal of Irrigation and Drainage
文章编号:167223317(2010)0120019204
SWA T模型与水资源配置模型的耦合研究3
陈强,秦大庸,苟思,周祖昊,桑学锋
(中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038)
摘 要:利用改进的SWA T模型多水源灌溉模块,将水资源配置模型的农业灌溉用水展布到改进后的SWA T模型中,实现二模型的松散式耦合。以天津为例,对SWA T模型进行参数调整和验证后,由耦合模型计算天津13个区(县)8种代表作物在水资源合理配置结果下的灌溉水量和相应的E T。耦合模型中的SWA T模型的灌溉水量接近配置模型结果,且E T的时空分布比较合理,耦合模型模拟精度较常规SWA T模型大幅提高,这种分布式水文模型与配置模型的耦合为流域水资源管理提供了一种新的途径。
关 键 词:SWA T模型;水资源配置模型;农业灌溉;E T;天津市
中图分类号:TV213.9 文献标志码:A
1 引 言
SWA T,将流域根据地形概化为以河道作为水力联系的子流域,而子流域又根据土地利用类型和土壤类型进一步细分为水文响应单元(HRU),模型内还可以包括水库、池塘、注水点等工程。由于配置模型的水源地包括不同水库、河道以及单元内的浅层地下水和深层地下水,水源地供水量时间变异性很大。而在常规SWA T模型中,每个HRU在全部计算时段只能固定在单一水源地取水,若该水源地在某些时段供水不足,即使流域中其他水源地有盈余水量,也无法保证该HRU的灌溉取水需求。因而采用改进的SWA T模型灌溉取水计算模块[7],并使得模型中HRU内的多个水源地与相应配置单元内的水源地一致,模型在运行过程中,可以在不同时段从不同水源地取水灌溉,避免了某一水源过度利用,而其他水源未被利用的局面,适应了配置模型的多种水源和水源地供水量时间变异性大的特征,所配置的各水源得到充分利用。
根据实际情况,对SWA T模型中井渠双灌区的单元在不同时段指定来自不同水源的灌溉量,水源地和灌溉量的制订符合配置要求。将水资源配置模型的结果,通过空间和时间展布,合理输入改进的SWA T模型,通过SWA T模型计算,得到在配置结果下不同空间尺度的农业灌溉量和E T以及其他相关结果。
2 SWA T模型与水资源配置模型的耦合
2.1 SWA T模型与配置模型在农业用水方面的耦合
农业用水的合理展布是SWA T模型与配置模型耦合的关键。由于配置模型生成的是各区(县)逐月的各行业用水量,而SWA T作为分布式水文模型,是以水文响应单元(HRU)为基本计算单元,因此需要建立SWA T模型的HRU与配置模型的各区(县)的空间拓扑关系和时间对应关系,将配置结果的月水量展布为SWA T模型的单日灌溉水量,同时还要符合配置模型水源地的时空变化。
1)灌溉水量的空间展布
根据SWA T模型划分的子流域,在GIS软件中建立SWA T模型的子流域和配置模型的区(县)的空间位置的对应关系,进而得到各子流域中HRU所属区(县)。随后根据调查结果,确定各HRU作物类型。在
3收稿日期:2009202203
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)(2006CB403401);国家自然科学基金委创新群体研究基金(50721006);世界银行全球环境基金(GEF)资助项目(TJ SHZ505)
作者简介:陈强(19842),新疆哈密人。硕士研究生,研究方向为水文水资源。
区(县)内累加相同作物HRU 的面积计算出各区(县)每种作物的面积,得到各HRU 在各区(县)内对应作物的面积权重,计算如下:
A m ,n =
6
I m ,n
i =1
a m ,n,i (1)w m ,n,i =
a m ,n,i A m ,n
(2)
式中:A m ,n 为第m 区(县)中第n 种作物的面积;a m ,n,i 为第m 区(县)中第n 种作物中第i 个HRU 面积;I m ,n 为第m 区(县)中第n 种作物的HRU 总数;w m ,n,i 为第i 个HRU 在第m 区(县)中第n 种作物的面积权重。
然后,根据调查取得配置时段每个区(县)各种作物的灌溉定额和区(县)内各作物面积,按照区(县)内各作物缺水率相同的方式,计算得各区(县)各作物的配水权重系数,计算如下:
q m ,n =
A m ,n Q m ,n
6
N m
n =1
(A m ,n Q m ,n )
(3)
式中:q m ,n 为第m 区(县)中第n 种作物需水权重;Q m ,n 为第m 区(县)中第n 种作物灌溉定额;N m 为第m 区(县)中作物种类总数。
随后,将配置的水量按权重分配到各HRU ,得到SWA T 模型各月各HRU 灌溉水量,计算如下:
Ir m ,n,i =w m ,n,i q m ,n W m
(4)
式中:I r m ,n,i 为SWA T 模型中第m 区(县)中第n 种作物中第i 个HRU 的灌溉水量;W m 为配置模型中第m 区(县)配制的各水源的总水量。
随后,根据当月该HRU 所在区(县)各水源配置的水量,对于存在多水源灌溉的HRU ,根据水资源合理配置和保护地下水的原则,先指定来自地表水源(河道和水库)的灌溉量,如果该月配置的地表水已取完,则开始指定地下水源(浅层和深层地下水)的灌溉量;而其他单水源地区,直接指定相应水源地的灌溉量。
2)灌溉水量的时间展布
上述空间展布方式可以计算出每个HRU 各月的来自各水源的灌溉水量,随后依据历史灌溉制度中各次灌溉的日期,将空间展布的灌溉水量分配到每次灌溉中,得到各HRU 每次灌溉的相应水量。
通过上述改进,使配置模型输出的区(县)尺度上的月灌溉用水量成为SWA T 模型HRU 尺度上的各次农业灌溉用水量,灌溉管理的空间尺度显著缩小,同时满足了灌溉水源的时空变异性。2.2 耦合模型对非农业用水的处理
重点研究农业用水,但流域内非农业部门(包括二、三产业和生活用水)用水量同样较大,且水源地与农业用水部分重合,这些部门的取用水会对SWA T 模型中农业灌溉水源地的供水能力产生影响。对于存在这部分用水的区域,将配置的非农业部门用水从模型中的指定的水库和外调水所注入的点源等取水集中区移除,取水量和取水点由配置模型指定;排水过程则以注水点的方式模拟,排水量通过耗水率和所配置的水量计算,排水点由配置模型指定,这样保证了SWA T 模型的取用水过程与实际取用水过程或者配置过程一致。
至此,SWA T 模型适应了配置模型多水源供水特性的要求,完成计算数据的时空展布,实现了改进SWA T 模型与配置模型的松散耦合。
3 耦合模型的联合应用
3.1 模型构建
以天津市为例,天津全境面积11946km 2,2004年耕地面积3885.2km 2,主要有8种代表性作物,各作物种类及相应面积如表1所示。水资源配置模型根据天津全境的地形特征和行政区划,将天津全境划分为基于行政区(县)单元的15个计算单元(由于跨越了2个流域三级区,蓟县和北辰县分别拆分为2个计算单元);而SW AT 模型根据地形将天津全境划分为325个子流域,又根据16种土地利用类型和13种土壤类型,共划分出1598个水文响应单元,每个HRU 只对应一种作物类型,面积大小约为配置模型计算单元的百分之一。3.2 SWA T 模型调试与验证
SWA T 模型预热期为1980～1982年,调整参数期为1983～1994年共12年,验证期为1995～2004年
共10年,模型构建所需基础数据参考文献[7],调试与校验期的灌溉水量和各项耗水数据来自天津13区
(县)农业灌溉用水量统计数据和天津市水资源公报数据,利用上述展布方式,输入SWA T模型。以天津4个主要河流的出口流量为校验依据,4个河口断面调试期和验证期的模拟值与实测值的Nash效益系数、相关系数如表2所示。只要参数合理,且充分考虑人工措施对流域水文循环的影响,SWA T模型对于一般流域的径流模拟效果较为理想。
表1 天津2004年区(县)各作物种植面积 km2
区(县)宝坻北辰大港东丽汉沽蓟县津南静海宁河塘沽武清西青市区全市水稻93.40.00.0 3.6 1.118.031.20.043.50.00.612.70.0204.1玉麦245.717.150.50.00.0185.10.0105.17.70.0336.147.10.0994.3玉米0.059.933.423.911.647.520.1254.340.77.30.00.00.0498.7棉花91.716.117.346.115.815.349.4151.7250.640.627.128.10.0749.8大豆43.318.265.022.7 4.230.79.670.937.47.424.517.70.0351.6向日葵0.4 3.5 1.20.00.00.00.012.4 4.60.010.70.00.032.7蔬菜108.647.27.135.4 4.1100.132.2101.276.213.7223.563.50.0812.8果林8.822.47.4 5.527.548.0 2.429.012.8 2.929.944.60.0241.2合计591.9184.4181.9137.264.3444.7144.9724.6473.571.9652.4213.703885.2
表2 SWA T模型四断面模拟结果指标
序号控制站点控制的流域
面积/km2
调试期
Nash效益系数相关系数
验证期
Nash效益系数相关系数
1蓟运河防潮闸3141.680.780.800.810.88
2海河防潮闸1674.320.660.700.750.85
3独流减河防潮闸1735.000.770.810.870.92
4潮白河防潮闸900.300.690.700.690.70
3.3 耦合计算结果
以天津市2004年水资源条件为本底,经过水资源合理配置,由耦合模型计算得到2004年规划情景下的天津各区(县)平均综合净灌溉量如表3所示,SWA T计算得8种作物生长期E T量如表4所示。改进后的SWA T模型与配置模型2004年规划情景下入海总量月过程如图1所示,同时还可以计算以面积较小的子流域为单元的灌溉量和相应E T的空间分布图。
表3 SWA T模型改进前后天津2004年规划情景下各区(县)平均综合净灌溉量比较区(县)宝坻北辰大港东丽汉沽蓟县津南静海宁河塘沽武清西青市区全市配置结果的综合净灌溉量/mm361.4253.8278.9286.5259.0258.3272.9164.8251.9399.1436.6342.00298.3
改进前SWA T 净灌溉量/mm105.2127.294.1152.3121.686.5149.674.6102.2258.3128.5172.20109.0取水保证率0.290.500.340.530.470.330.550.450.410.650.290.5010.37
改进后SWA T 净灌溉量/mm342.6240.4186.2250.3173.7231.1272.7123.2200.8263.2388.0317.40255.6取水保证率0.950.950.670.870.670.89 1.000.750.800.660.890.9310.86
表4 天津2004年规划情景下各作物生长期E T和灌溉量 mm
作物水稻小麦玉米棉花大豆向日葵蔬菜果林生长期E T634.9372.1280.7389.7337.0337.4814.4593.5适宜用水区间下限[8]622.9447.2294.6404.23333生长期灌溉量418.9292.1115.198.4112.757.1511.9112.5
图1 SWA T模型与配置模型2004年规划情景下入海总量月过程
利用改进后SWA T模型与配置模型进行耦合的效果比较满意,表现在以下几方面。
1)二模型灌溉取水时空特性趋于一致,改进前的SWA T模型从单一水源取水,无法满足井渠双灌地区的实际情况,也无法适应供水能力的时空变异性,许多HRU无法从指定的单一水源得到足够的灌溉水,而区内其他水源有富余水量,灌溉取水保证率很低,二模型耦合效果较差。改进后的SWA T模型适应了配置模型水源供水能力的时空变异性,从表3可见改进后的SWA T模型展布计算得到的综合净灌溉量与配置结果的综合净灌溉量已经比较接近,全市平均灌溉量与配置结果的差值由模型改进前的146.6mm缩小到42.7mm,灌溉取水保证率(SWA T计算灌溉量与配置灌溉量之比)由37%提高到86%;SWA T灌溉水量与各区(县)配置的农业灌溉水相关系数由原来的0.76提高到0.87,配置到各区(县)的农业用水在区(县)内的HRU得到合理分配。
2)作物生长期E T相对比较合理,由表4可见,水稻、小麦、玉米、棉花4种作物生长期E T略低于用水量适宜区间[8]的下限,但考虑到这是水资源规划情景(考虑到农业节水潜力)下得到的作物E T,仍具有一定参考价值。
3)二模型的径流特性一致,从图1可见,SWA T模型与配置模型入海总量月过程比较接近,相关系数达到0.95,年入海总量相对误差5.9%。改进后SWA T模型更好地反映了配置模型农业用水的时空分布,与配置结果的耦合精度大幅提高。
此外,通过SWA T能更详细直观反映配置结果下的灌溉水量和E T的空间分布,以子流域为单元的净灌溉量和农业E T呈现较好的空间一致性,符合北方灌溉农业的耗水特征。
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R esearch of the Coupling of SWAT Model and W ater Allocation Model
C H EN Qiang,Q IN Da2yong,GOU Si,ZHOU Zu2hao,SAN G Xue2feng
(China Instit ute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100038,China)
Abstract:We have converted t he outp ut data of Water Allocation Model(WAM for short)and imported it into t he imp roved SWA T model(ISWA T for short)which is capable to fetch water f rom various water sources,and established a coupling model of t hese two models.After adjusting validating t he ISWA T,we applied t he coupling model to calculate t he amount of irrigation and E T of8crop s in13counties of Tianjin of China.Of t he coupling model,t he irrigation amount of ISWA T is clo se to t he result of t he WAM and t he E T amount of t he8crop s is reasonable,which means it is more accurate to couple t he ISWA T wit h t he WAM t han t he t raditio nal SWA T model and t he co upling model is able to facilitate basin water manage2 ment.
K ey w ords:SWA T model;water allocation model;irrigation;E T;Tianjin